Commande en position et vitesse sans capteur mécanique de moteurs synchrones à aimants

182 Pages·2017·14.31 MB·French

by  Aloïs Zgorski

Commande en position et vitesse sans capteur
mécanique de moteurs synchrones à aimants permanents
à pôles lisses: Application à un actionneur
électromécanique pour aileron
Aloïs Zgorski
To cite this version:
Aloïs Zgorski. Commande en position et vitesse sans capteur mécanique de moteurs synchrones à
aimantspermanentsàpôleslisses: Applicationàunactionneurélectromécaniquepouraileron. Autre.
INSA de Lyon, 2013. Français. ￿NNT: 2013ISAL0012￿. ￿tel-00864216￿
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
NumØro d’ordre : AnnØe 2013
TH¨SE
prØsentØe devant
L’Institut National des Sciences AppliquØes de Lyon
pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSIT(cid:201) DE LYON
(cid:201)COLE DOCTORALE : (cid:201)LECTRONIQUE, (cid:201)LECTROTECHNIQUE,
AUTOMATIQUE
SP(cid:201)CIALIT(cid:201) : G(cid:201)NIE (cid:201)LECTRIQUE
par
Alo(cid:239)s Zgorski
Commande en position et vitesse sans capteur mØcanique
de moteurs synchrones (cid:224) aimants permanents (cid:224) p(cid:244)les lisses.
Application (cid:224) un actionneur ØlectromØcanique pour aileron.
Mechanical sensorless position and speed control of non-saillent
permanent magnet synchronous machine.
Application to an electromechanical actuator for aileron.
Soutenue le 21 FØvrier 2013 devant la Commission d’examen
Jury :
FADEL Maurice Professeur, INPT-ENSHEEIHT Rapporteur
MENDES Eduardo Professeur, INPG-ESISAR Rapporteur
LIN-SHI Xuefang Professeur, INSA de Lyon Directeur de ThŁse
LOUIS Jean-Paul Professeur ØmØrite, ENS Cachan Examinateur
RETIF Jean-Marie Professeur retraitØ, INSA de Lyon Examinateur
MANCA Jean-Luc Sagem DØfense SØcuritØ Encadrant Industriel
BRIDOT Eric Sagem DØfense SØcuritØ Examinateur
LEYNART Fran(cid:231)ois-Noºl Messier-Buggatti-Dowty Examinateur
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© [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés
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iii
INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales - Quinquennal 2011-2015
SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES
DU RESPONSABLE
CHIMIE CHIMIEDELYON M. Jean Marc LANCELIN
http://www.edchimie-lyon.fr UniversitØdeLyon-CollŁgeDoctoral
B(cid:226)tESCPE
43bddu11novembre1918
69622VILLEURBANNECedex
Insa:R.GOURDON TØl:0472431395
[email protected]
E.E.A. ELECTRONIQUE, M. GØrard SCORLETTI
ELECTROTECHNIQUE,AUTOMATIQUE EcoleCentraledeLyon
http://edeea.ec-lyon.fr 36avenueGuydeCollongue
69134ECULLY
SecrØtariat:M.C.HAVGOUDOUKIAN TØl:0472186097Fax:[phone]
[email protected] [email protected]
E2M2 EVOLUTION,ECOSYSTEME, Mme. Gudrun BORNETTE
MICROBIOLOGIE,MODELISATION CNRSUMR5023LEHNA
http://e2m2.universite-lyon.fr UniversitØClaudeBernardLyon1
B(cid:226)tForel
INSA:H.CHARLES 43bddu11novembre1918
69622VILLEURBANNECØdex
TØl:0472431294
[email protected]
EDISS INTERDISCIPLINAIRE M. Didier REVEL
SCIENCES-SANTE H(cid:244)pitalLouisPradel
http://ww2.ibcp.fr/ediss B(cid:226)timentCentral
28AvenueDoyenLØpine
Sec:Sa(cid:28)aAITCHALAL 69500BRON
Insa:M.LAGARDE TØl:0472684909Fax:[phone]
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INFOMATHS INFORMATIQUEET M. Johannes KELLENDONK
MATHEMATIQUES UniversitØClaudeBernardLyon1
http://infomaths.univ-lyon1.fr INFOMATHS
B(cid:226)timentBraconnier
43bddu11novembre1918
69622VILLEURBANNECedex
TØl:0472448294Fax:[phone]
[email protected]
MatØriaux MATERIAUXDELYON M. Jean-Yves BUFFIERE
INSAdeLyon
MATEIS
B(cid:226)timentSaint-ExupØry
SecrØtariat:M.LABOUNE 7avenueJeanCapelle
PM:71.70-Fax:[phone]VILLEURBANNECØdex
B(cid:226)t.Saint-ExupØry TØl:0472438318Fax[phone]
[email protected] Jean-yves.bu(cid:30)[email protected]
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iv
SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES
DU RESPONSABLE
MEGA MECANIQUE,ENERGETIQUE,GENIE M. Philippe BOISSE
CIVIL,ACOUSTIQUE INSAdeLyon
LaboratoireLAMCOS
B(cid:226)timentJacquard
SecrØtariat:M.LABOUNE 25bisavenueJeanCapelle
PM:71.70-Fax:[phone]VILLEURBANNECØdex
B(cid:226)t.Saint-ExupØry TØl:0472437170Fax:[phone]
[email protected] [email protected]
ScSo ScSo1 M. Lionel OBADIA
UniversitØLyon2
86ruePasteur
69365LYONCedex07
Sec:ViviannePOLSINELLI TØl:0478697276Fax:[phone]
Insa:J.Y.TOUSSAINT [email protected]
1. ScSo:Histoire,GØographie,AmØnagement,Urbanisme,ArchØologie,Sciencepolitique,Sociologie,
Anthropologie
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RØsumØ
Le problŁme de la commande sans capteur mØcanique de la machine synchrone (cid:224)
aimants permanents (MSAP) est un problŁme trŁs ØtudiØ dans le domaine de l’automa-
tique et de l’Ølectrotechnique. Le travail prØsentØ s’intØresse au problŁme particulier de
la commande sans capteur (cid:224) basse vitesse des MSAP (cid:224) p(cid:244)les lisses. L’objectif est de pro-
poser une mØthode permettant de contr(cid:244)ler en position un actionneur ØlectromØcanique
utilisØ dans un contexte aØronautique (ici pour des ailerons).
Une Øtude thØorique des deux familles de machines, saillantes et non saillantes, a
permis de montrer une di(cid:27)Ørence d’observabilitØ des modŁles de la MSAP selon la vitesse
de la machine, avec en particulier une perte d’observabiltiØ (cid:224) basse vitesse pour les
machines(cid:224)p(cid:244)leslisses.Pourpalliercetteperte,denouveauxmodŁlessontdØveloppØs,qui
prennent en compte des vibrations de la machine, sollicitØe par une injection de signaux.
Une nouvelle analyse, appliquØe (cid:224) ces modŁles, permet de garantir l’observabilitØ de la
machine sur toute la gamme de vitesse, y compris (cid:224) l’arrŒt. Nous avons donc proposØ une
approched’observationdelapositionetdelavitessebasØesurcesnouveauxmodŁlesavec
une injection bien choisie. Contrairement aux mØthodes classiques basØes sur la saillance,
cette approche est applicable (cid:224) tous les types de machine. Elle a ØtØ validØe sur plusieurs
bancs d’essais par l’application d’un observateur de Kalman Øtendu. De nombreux tests
ont ØtØ rØalisØs sur un benchmark dØdiØ aux applications industrielles. Les rØsultats ont
montrØ les performances, la robustesse et les limites des observateurs proposØs.
Nous nous sommes Øgalement intØressØs (cid:224) l’asservissement en vitesse sans capteur
mØcanique de la machine, pour lequel nous avons proposØ deux mØthodes de synthŁse
d’observateurs. La premiŁre est basØe sur la synthŁse d’un observateur LPV robuste par
approche polytopique. La seconde utilise un observateur (cid:224) modes de glissement d’ordre
deux (cid:224) gains adaptatifs. La faisabilitØ expØrimentale de ces deux observateurs a ØtØ
dØmontrØe.
Mots-clØs : machine synchonre (cid:224) aimants permanents, commande sans capteur
mØcanique, actionneur ØlectromØcanique, mØthode d’estimation de la position (cid:224) basse
vitesse
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Abstract
The issue of sensorless control of permanent magnet synchronous machine (PMSM)
hasbeenwellstudiedinthe(cid:28)eldofautomationandelectricalengineering.Inthefollowing
work,wewereinterestedinthepeculiarproblemoflow-speedsensorlesscontrolofsurface
PMSM. The objective is to o(cid:27)er a new method for the position control of an industrial
electro-mecanical actuator, considering an aeronautical context (a (cid:29)ap actuator).
First, modeling and observability analyses of surface (non-salient) PMSM and inter-
ior (salient) PMSM have been studied. A loss of observability can be especially found at
low speed for models of non-salient machines. To overcome this loss, we have developped
newmodels,thattakesintoaccountvibrationscausedbyasignalinjection.Atheoretical
observability study of these latter models shows that observability is now guaranteed for
the whole speed range, including standstill. We thus proposed an estimation method of
the position and speed of the PMSM, based on these models, with a dedicated injec-
tion signal. Unlike sallient-based methods that are only valid for sailent machines, our
appoach can be used with all types of PMSM. An Extended Kalman Filter is used to
observe the position, speed and eventually the load torque. The proposed approach was
validatedonadedicatedtestbench.Manysimulationandexperimentaltestswereperfor-
med on an industrial-oriented benchmark. Results showed the performances, robustness
and limitations of the proposed observers.
We have also studied speed sensorless control of the machine. Indeed, two observer
syntheses have been presented. The (cid:28)rst one is based on robust synthesis of an LPV ob-
serverusingapolytopicapproach.Thesecondmethodisanadaptative-gainsecond-order
sliding mode observer. Experimental feasibility of the two methods has been demonstra-
ted.
Mots-clØs : permanent magnet synchronous motor, sensorless control, electromeca-
nical actuator, low-speed position estimation method
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Table des matiŁres
RØsumØ v
Abstract vii
Notations xiii
AbrØviations et Indices xvii
Introduction gØnØrale xix
1 ProblØmatique de la commande sans capteur mØcanique de la MSAP 1
1.1 PropriØtØs des machines synchrones (cid:224) aimants permanents . . . . . . . . . 3
1.2 Equations de la machine synchrone (cid:224) aimants permanents . . . . . . . . . 5
1.2.1 Comportement Ølectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Comportement mØcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Commande classique de la MSAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Etat de l’art des mØthodes d’estimation de la position des MSAP . . . . . 13
1.4.1 RepŁres d’Øtude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Observateurs moyenne et haute vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 MØthodes utilisant la saillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Mise en Øvidence de l’observabilitØ de la MSAP (cid:224) p(cid:244)les lisses (cid:224) basse
vitesse 23
2.1 ModŁles d’Øtat classiques de la MSAP et leur observabilitØ . . . . . . . . . 24
2.1.1 ModŁle Ølectrique Øtendu aux FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 ModŁle Ølectrique Øtendu au (cid:29)ux permanent . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.3 ModŁle Ølectrique et ØlectromØcanique . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.4 Analyse des rØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
ix
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